Analisi delle proprietà del trasporto di carica in materiali GST per dispositivi di memoria a cambiamento di fase di futura generazione

The quest for universal memory is driving the rapid development of memories with superior all-round capabilities in non-volatility, high speed, high endurance and low power. The memory subsystem accounts for a significant cost and power budget of a computer system. Current DRAM-based main memory systems are starting to hit the power and cost limit. To resolve this issue the industry is improving existing technologies such as Flash and exploring new ones. Among those new technologies is the Phase Change Memory (PCM), which overcomes some of the shortcomings of the Flash such as durability and scalability. This alternative non-volatile memory technology, which uses resistance contrast in phase-change materials, offers more density relative to DRAM, and can help to increase main memory capacity of future systems while remaining within the cost and power constraints. Chalcogenide materials can suitably be exploited for manufacturing phase-change memory devices. Charge transport in amorphous chalcogenide-GST used for memory devices is modeled using two contributions: hopping of trapped electrons and motion of band electrons in extended states. Crystalline GST exhibits an almost Ohmic I(V) curve. In contrast amorphous GST shows a high resistance at low biases while, above a threshold voltage, a transition takes place from a highly resistive to a conductive state, characterized by a negative differential-resistance behavior. A clear and complete understanding of the threshold behavior of the amorphous phase is fundamental for exploiting such materials in the fabrication of innovative nonvolatile memories. The type of feedback that produces the snapback phenomenon is described as a filamentation in energy that is controlled by electron–electron interactions between trapped electrons and band electrons. The model thus derived is implemented within a state-of-the-art simulator. An analytical version of the model is also derived and is useful for discussing the snapback behavior and the scaling properties of the device.Lo sviluppo dei sistemi di memoria di futura generazione è guidato principalmente dalla ricerca di una tecnologia in grado di superare quelle attuali in ogni loro specifica di funzionamento, dalla ritenzione di dato alla velocità di accesso, migliorandone la durata e riducendo il dispendio energetico. Il sottosistema delle memorie assorbe una parte significativa delle risorse del macro sistema costituito dal calcolatore, tanto da aver quasi raggiunto il limite tecnologico nel caso delle odierne memorie di tipo DRAM. La soluzione più promettente sembra essere quella delle memorie a cambiamento di fase (PCM), in grado di colmare anche i limiti mostrati dalla tecnologia Flash nell’ambito della durata e scalabilità. I materiali che consentono di realizzare dispostivi a cambiamento di fase pilotato elettricamente appartengono alla famiglia dei calcogenuri. Tra i diversi composti calcogenuri quello attualmente identificato come soluzione più promettente è il Ge2Sb2Te5 (GST). Il trasporto di carica all’interno di dispositivi di memoria realizzati con tali materiali è stato modellato considerando l’azione di due contributi differenti: hopping di cariche intrappolate e moto di elettroni liberi in stati estesi. Il GST mostra un comportamento elettrico pressoché Ohmico in fase cristallina mentre, in fase amorfa, risulta essere poco conduttivo per basse correnti fino al superamento di una tensione di soglia oltre la quale si assiste al passaggio da uno stato altamente resistivo ad uno altamente conduttivo, caratterizzato da un andamento a resistenza differenziale negativa (NDR). Il meccanismo retroattivo che induce il fenomeno di snapback viene descritto come filamentazione in energia controllata dalle interazioni tra elettroni liberi ed elettroni intrappolati. Il modello fisico ricavato è stato implementato all’interno di un simulatore di dispositivi di ultima generazione ed è stato in seguito riprodotto in una versione analitica semplificata in grado, però, di permettere una prima analisi del comportamento elettrico del dispositivo e delle sue proprietà di scaling